CN105222713A - 一种利用光纤光栅进行精密位移的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用光纤光栅进行精密位移的方法及其装置。现有的光栅尺采用莫尔条纹原理制成，其最高精度只能达到微米级别，并且价格昂贵，不适宜大范围推广使用。本发明提供的一种利用光纤光栅进行精密位移的方法是将光纤光栅上任意两点的信道之间位移转化为该两点信道的信道间隔变化量进行输出；同时还提供一种利用光纤光栅进行精密位移利用该方法制作的装置，包括光纤光栅和解调仪，光纤光栅上设置有沿光纤光栅表面移动的光电探测器，光电探测器与解调仪通信连接。本发明采用光纤光栅的纳米级特性原理制成，相对于传统的莫尔条纹光栅尺，其精度高、价格便宜、对使用环境的要求低、易于大范围推广使用。
Description
技术领域
本发明属于精密位移测量技术领域，涉及到一种精密位移方法及其装置，具体是指一种利用光纤光栅进行精密位移的方法及利用该方法制作的精密位移装置。
背景技术
光栅尺是一种用来精密测量物体移动位移的工具，其主要在机床领域内广泛使用。目前的光栅尺是利用莫尔条纹原理制成，由一对光栅副中的主光栅（即标尺光栅）和副光栅（即指示光栅）进行相对位移时，在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间（或明暗相间）的规则条纹图形（称为莫尔条纹），经过光电器件转换使黑白（或明暗）相同的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大，整形电路整形后，得到两路相差为90°的正弦波或方波，送入光栅数显表计数显示位移。目前高分辨率的光栅尺测量位移精度只能达到微米量级，并且造价昂贵；同时此种光栅尺的安装条件和使用环境要求比较苛刻，不适宜大范围推广使用。
光纤光栅（FiberBraggGrating，简称FBG））是利用光纤的光敏性制成，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位。光纤光栅（FBG）作为一种光无源器件，已经在光通信、传感测量、位移监测等方面有大范围的应用。随着技术的发展，目前的光纤光栅的长度已由原有的毫米级增加到现在的米级、十米级甚至更长的长度，由于光纤光栅的信道精度已经达到纳米级别，因此将光纤光栅应用与物体移动位移的精密测量，实现位移纳米级精度控制，可有效解决现有光栅尺不能实现高等级精度位移的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种利用光纤光栅进行精密位移的方法及其装置，其利用光纤光栅纳米级精度特性进行位移控制，以解决现有光栅尺造价昂贵，安装使用环境要求苛刻，并且不能实现纳米级及以上精度位移的问题；同时还可实现其他精密位移的需求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种利用光纤光栅进行精密位移的方法，其特征在于：是将光纤光栅上任意两点信道之间的位移量转化为该两点信道之间的信道间隔变化量进行输出。
上述的信道间隔变化量为该两点信道之间的信道间隔的累积叠加。
上述的一种利用光纤光栅进行精密位移的方法，包括下述步骤：
（1）制备一定长度的光纤光栅；
（2）在解调仪中输入光电探测器在所述光纤光栅表面移动的位移量；
（3）解调仪将位移量转换为光纤光栅的信道数量并将其传输至光电探测器；
（4）光电探测器沿光纤光栅表面检测经过光纤光栅信道的数量并移动到所对应信道数量的信道处。
上述一种利用光纤光栅进行精密位移的方法，其特征在于：所述的位移量为从首个信道开始，光电探测器沿光纤光栅表面移动所检测经过的光纤光栅信道的数量与光纤光栅信道间隔的乘积。
上述的信道间隔相等。
一种利用光纤光栅进行精密位移的方法制作的精密位移装置，包括光纤光栅和解调仪，所述的光纤光栅上设置有沿光纤光栅表面移动的光电探测器，所述的光电探测器与所述的解调仪通信连接。
上述的光栅探测器还连接有数显装置。
上述的光纤光栅为固定在一装置内的直线状、环形、或其他形状。该装置可以是直线状、环形、或其他形状的板材，将光纤光栅固定在装置上形成所述的形状。
上述的光纤光栅为体布拉格光栅（VolumeBraggGratings，简称VBG；又称体全息光栅，VolumeHolographicGrating，简称VHG，本发明的下述叙述采用体布拉格光栅VBG）。所述的体布拉格光栅（VBG）是在玻璃中刻入光栅（紫外光调制玻璃的折射率）制作而成，其可与光纤光栅（FBG）具有相同的参数特征。
上述的玻璃是光敏玻璃、石英玻璃或其他玻璃。
上述的解调仪可以是调制解调器。
本发明相对于现有技术，具有如下优点和效果：
1、本发明采用光纤光栅（FBG）光学纳米级特性原理替代传统莫尔条纹原理的平面物理性光栅尺实现高精度测量。传统的莫尔条纹光栅尺最高精度只有微米级别；而现有的光纤光栅信道周期精度可以达到纳米、甚至皮米级别，相对于传统的光栅尺来说，本发明的方法及其装置精度级别更高，可以将精密测量加工等级提高到纳米，甚至皮米级别。
2、由于莫尔条纹光栅尺的结构比较复杂，制作工艺难度大，使得高精度的莫尔条纹光栅尺价格高达几十万元，十分昂贵；而现有光纤光栅的制作工艺已经相当成熟，其光栅的长度也可以实现几米甚至百米长度的刻写，同时光纤光栅的封装结构简单，制作成本低廉，适合大范围推广使用。
3、采用莫尔条纹原理制作的平面物理光栅尺对于环境的使用要求比较苛刻，尤其是对一些高精度要求的机床来说，使用的环境洁净度、振动、噪声、温度等有严格的要求；而本发明的装置可以避免上述环境因素的影响，降低了使用环境要求的限制，不仅能用于高端机床设备上，同时可以用在对环境要求低的普通机床上，以实现精密位移的要求。
附图说明
图1是本发明原理示意图。
图2是本发明实施例1装置结构示意图。
图3是本发明实施例3装置结构示意图。
图中，1-光纤光栅、2-光电探测器、3-解调仪、4-数显装置。
具体实施方式
传统的光栅尺利用莫尔条纹原理制成，经过光电器件转换使黑白（或明暗）相同的条纹转换成波形信号，送入光栅数显表计数显示位移。而本发明的原理在于：当在光纤中写入光纤光栅（FBG）后，光纤光栅的信道间隔（也可以是相邻信道中心波长变化量），在光纤内相当于相临间隔的条纹，当光纤光栅为均匀周期时，信道间隔在写制光栅时可以确定。本发明中，光电探测器沿光纤光栅（FBG）表面横向移动以累积叠加的方式检测经过光纤光栅信道的数量，那么从首个信道开始，光电探测器沿光纤光栅表面横向移动的位移量为检测经过的光纤光栅信道的数量与光纤光栅信道间隔的乘积，当计数出一定长度光纤光栅上的信道数量相当于计算出光纤光栅的有效长度以实现精密位移。如图1（a）所示，当光纤光栅为均匀周期时，光纤光栅上有n+1个信道，n+1个信道对应的光纤光栅的距离是L，那个从第1个信道开始，L=（n+1），为信道间隔。如图1（b）所示，当光纤光栅为非均匀周期时，其信道间隔为等差数列方式，L=n（ 1+ n+1）/2， 1为第一个信道间隔， n+1为第n+1个信道的信道间隔，当光纤光栅为非均匀周期时，信道间隔成递减（递增）方式，其精度也成递减（递增）方式。因此在本发明的下述叙述中，均是以均匀周期光纤光栅进行说明。
同时，在本发明中所述的光纤光栅（FBG）可以是体布拉格光栅（VBG），所述的体布拉格光栅（VBG）是利用玻璃的光敏性，通过紫外光对玻璃的折射率进行调制而成，而调制的玻璃可以是光敏玻璃、石英玻璃或其他玻璃。体布拉格光栅（VBG）是在玻璃中刻入光栅制作，而其光栅的刻入也是通过紫外光照射实现，由于体布拉格光栅（VBG）是通过在玻璃中刻入光栅实现，光纤光栅（FBG）是通过在光纤中刻入光栅实现，两者同时也可以刻入参数相同的光栅。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
参见图2，一种利用光纤光栅进行精密位移的装置，包括一刻写好的长均匀周期光纤光栅1和解调仪3（或调制解调器），所述的光纤光栅（FBG）1是通过在石英光纤上进行连续紫外曝光方式获得，所述的解调仪3（或调制解调器）带有按键式或触控式面板。所述的光纤光栅1参数预先写制好，其含有多个信道间隔相等的信道。光纤光栅1为直线状设置，其可以在一裸光纤上刻入光栅，当其为在裸光纤上刻入光栅时，该光纤光栅需固定在一直线板材内保持直线固定状态，并且光纤光栅的上表面裸露（当直线板材为石英玻璃等透明板材时，光纤光栅可以固定在板材内部），以使光电探测器2可检测到光纤光栅的信道数量。所述的光纤光栅1上设置有沿光纤光栅1横向移动的光电探测器2，所述的光电探测器2与所述的解调仪3通信连接。
本发明在使用时，首先在解调仪3内输入光电探测器2要沿光纤光栅1移动的位移量，解调仪3将所要移动的位移量转化为光纤光栅上的信道数量并将信道数量传输至光电探测器2，光电探测器2沿光纤光栅移动到所对应信道数量的光纤光栅信道处实现光电探测器2的位移。所述的光电探测器2还连接有数显装置4，光电探测器2在移动的过程中，可将具体位移量通过数显装置4显示。
本实施例利用光纤光栅进行精密位移的方法，以直线移动5mm为例。制备一长均匀周期光纤光栅，其信道间隔为0.8nm，即在光纤光栅上相邻信道的距离是0.8nm。在解调仪3里输入光电探测器2在所述光纤光栅1表面横向的移动位移量为5mm，那么光电探测器移动5mm的位移量为6250000个信道间隔的累积，光电探测器2从光纤光栅1的起始信道开始，光电探测器2需要移动到第6250001个信道的位置，此时解调仪3控制光电探测器2沿光纤光栅1开始横向移动到第6250001个信道位置实现5mm位移量移动。
由于上述实施例1的光纤光栅的信道间隔是0.8nm，因此上述实施例的最小位移精度为0.8nm，若要直线移动500mm，此时光电探测器2从起始信道开始，需移动到第625000001个信道位置即满足500mm距离的移动。
本实施例在机床领域具体应用时，光纤光栅1预先装配到一直线板材上，然后将光电探测器2和装配固定好的光纤光栅1分别安装在机床的滑台和导轨上，在解调仪3中输入机床滑台移动的位移量，光电探测器2将移动位移量转化为光纤光栅信道数量，光电探测器2和机床滑台一起移动时，光电探测器2检测经过光纤光栅1内部的信道数量，当移动到光纤光栅上所对应的信道数时停止，光电探测器和机床滑台移动的过程中，数显装置4可实时显示移动的位移量。
实施例2
与实施例1不同的是，实施例2的光纤光栅（FBG）可以采用体布拉格光栅（VBG）替换，所述的体布拉格光栅（VBG）为直线板状或条状，其是在一光敏玻璃或石英玻璃上通过紫外光曝光方式刻入光栅。本实施例的体布拉格光栅（VBG）具有与实施例1的光纤光栅相同的参数，并且不需要通过直线板材固定，同时所述的光电探测器2也可检测经过体布拉格光栅（VBG）的信道数量。
实施例3
参见图3，与实施例1不同的时，实施例3的光纤光栅为环状，该环状光纤光栅在一裸光纤上通过紫外光曝光方式刻入光栅后，再将裸光纤两端熔接成环状；当其熔接为环状后，该光纤光栅需固定在一环形板材内保持环形固定状态，并且光纤光栅上表面裸露（当环形板材为石英玻璃等透明板材时，光纤光栅可以固定在板材内部），以使光电探测器2可检测到经过光纤光栅的信道数量。实施例3的此种结构可以实现环形精密位移或角度精密位移。
本实施例利用光纤光栅进行精密位移的方法，进行角度精密位移时，制备一环状光纤光栅，其周长是36mm，光纤光栅的信道间隔是1nm，即在光纤光栅上相邻信道的距离为1nm，一个信道间隔对应到环状光纤光栅上的角度则为0.00001°，以光电探测器2绕环状光栅中心转动15°为例，15°的角度移动量为1500000个光纤光栅的信道间隔的累积量。在解调仪3里输入光电探测器2以环状光纤光栅中心为中心，在所述环状光栅表面移动15°的角度位移量，从起始信道起，光电探测器2需移动到第1500001个信道位置时停止，以实现绕环状光纤光栅中心转动15°的角度位移量。当需要进行环形移动位移时，与实施例1方法相同。
实施例4
与实施例3不同的时，实施例4的光纤光栅（FBG）由体布拉格光栅（VBG）替代，所述体布拉格光栅（VBG）是在一环形光敏玻璃或石英玻璃上直接通过紫外光曝光方式刻入光栅制成，并且体布拉格光栅（VBG）的参数可与实施例3光纤光栅（FBG）的参数相同，同时本实施例的体布拉格光栅（VBG）也不需要环形板材固定，光电探测器2可检测到经过体布拉格光栅（VBG）的信道数量。
本发明除了可实现上述的直线状、环状位移或角度精密位移外，对于其他形式的精密位移均能满足。本发明的上述实施例仅为本发明的最佳实施方式的列举，本发明的保护范围并不局限与上述的具体实施例所述的形式，因此凡是与本发明实施例相同或相似的技术方案，均属于本发明所涵盖保护的范围。
Claims (10)
1.一种利用光纤光栅进行精密位移的方法，是将光纤光栅上任意两点信道之间的位移量转化为该两点信道之间的信道间隔变化量进行输出。
2.根据权利要求1所述的一种利用光纤光栅进行精密位移的方法，其特征在于：所述的信道间隔变化量为该两点信道之间的信道间隔的累积叠加。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用光纤光栅进行精密位移的方法，其特征在于：包括下述步骤：
1）制备一定长度的光纤光栅（1）；
2）在解调仪中输入光电探测器（2）在所述光纤光栅（1）表面移动的位移量；
3）解调仪（3）将位移量转换为光纤光栅（1）的信道数量并将其传输至光电探测器（2）；
4）光电探测器（2）沿光纤光栅（1）表面检测经过光纤光栅信道的数量并移动到所对应信道数量的信道处。
4.根据权利要求3所述的一种利用光纤光栅进行精密位移的方法，其特征在于：所述的位移量为从首个信道开始，光电探测器沿光纤光栅表面移动所检测经过的光纤光栅信道的数量与光纤光栅信道间隔的乘积。
5.根据权利要求4所述的所述的一种利用光纤光栅进行精密位移的方法，其特征在于：所述的信道间隔相等。
6.一种利用光纤光栅进行精密位移的方法制作的精密位移装置，包括光纤光栅（1）和解调仪（3），所述的光纤光栅（1）上设置有沿光纤光栅表面移动的光电探测器（2），所述的光电探测器（2）与所述的解调仪（3）通信连接。
7.根据权利要求6所述的一种利用光纤光栅进行精密位移的方法制作的精密位移装置，其特征在于：所述的光电探测器（2）还连接有数显装置（4）。
8.根据权利要求6所述的一种利用光纤光栅进行精密位移的方法制作的精密位移装置，其特征在于：所述的光纤光栅（1）为固定在一装置内的直线状、环形或其他形状。
9.根据权利要求8所述的一种利用光纤光栅进行精密位移的方法制作的精密位移装置，其特征在于：所述的光纤光栅（1）是通过紫外光调制玻璃的折射率制成的体布拉格光栅（VBG或VHG）。
10.根据权利要求9所述的一种利用光纤光栅进行精密位移的方法制作的精密位移装置，其特征在于：所述的玻璃是光敏玻璃、石英玻璃或其他玻璃。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160106 |